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2019環(huán)保工程師專業(yè)知識考點:吸附

發(fā)表時間:2018/11/8 13:50:50 來源:互聯(lián)網(wǎng) 點擊關注微信:關注中大網(wǎng)校微信
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一、 吸 附

吸附:溶液中的物質(zhì)由一相向某種適宜的另一相界面上積累的過程。

在廢水處理中,用吸附作用來去除廢水中的污染物質(zhì)時,一般都是通過固液界面的吸附來實現(xiàn)的,具吸附能力的多孔性固體物質(zhì)稱為吸附劑。

1、吸附原理

吸附是一種在兩相界面上發(fā)生的表面現(xiàn)象,與物質(zhì)表面張力和表面能的變化有關,符合熱力學第二定律,可用吉布斯方程式表示:

式中,若某溶質(zhì)能降低溶液的表面張力,即為負值, 為正值,產(chǎn)生正吸附,若某溶質(zhì)能增加溶液的表面張力,則為正值, 為負值,產(chǎn)生負吸附,稱為解吸。

2、吸附的類型

⑴物理吸附:

特點是吸附熱較小,低溫就能進行,吸附是可逆的,吸附基本沒有選擇性。

⑵化學吸附:

特點是吸附熱較大一般在較高溫度下進行;當化學鍵力大時,吸附是不可逆的;吸附有選擇性,一種吸附劑只對某種或幾種吸附質(zhì)發(fā)生化學吸附。

⑶離子交換吸附:

水處理中,吸附往往是由上述3種吸附綜合作用的結(jié)果,但由于吸附質(zhì)和吸附劑的不同以及其他因素的影響,可能某種吸附是主要的。

3、吸附等溫線

在溫度一定的條件下,吸附容量隨吸附質(zhì)平衡濃度的增大而提高,吸附容量隨平衡濃度而變化的曲線稱為吸附等溫線。

常見的吸附等溫線有Ⅰ型和Ⅱ型兩種類型。

Ⅰ型吸附等溫線與朗格謬爾和弗蘭德利希吸附等溫式相對應,Ⅱ型吸附等溫線與BET等溫式相對應。應理解這幾個公式,并掌握公式中各參數(shù)的計算過程。

4、吸附速率

吸附速率是指單位重量的吸附劑在單位時間內(nèi)所吸附的吸附質(zhì)質(zhì)量。

吸附速率越快,吸附質(zhì)與吸附劑接觸時間就越短,所需的吸附設備容積也就越小。

吸附速率取決于吸附質(zhì)的傳質(zhì)過程,對于多孔吸附劑,傳質(zhì)分為以下三步:

①吸附質(zhì)從溶液主體擴散到吸附劑外表面,這是吸附質(zhì)透過吸附劑表面液膜的傳質(zhì)簡稱外擴散;

②吸附質(zhì)由吸附劑顆粒的外表面,經(jīng)顆粒內(nèi)的細孔擴散到顆粒的內(nèi)表面,簡稱內(nèi)擴散;

③吸附質(zhì)在吸附劑的表面上被吸附。

5、常用吸附劑及影響吸附的主要因素

⑴常用吸附劑

活性炭、磺化煤、活化煤、沸石、活性白土、硅藻土、腐殖質(zhì)酸、焦炭、木炭、木屑、爐渣和粉煤灰等,應用較多的是活性炭。

⑵活性炭的特性

①活性炭的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)

活性炭具有巨大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。比表面積可達500~1700m2/g,其中小孔容積一般為0.15~0.9ml/g,表面積占比表面積的95%以上,過渡孔容積一般為0.02~0.1ml/g,表面積占比表面積的5%左右,而大孔容積一般為0.2~0.5ml/g,表面積很小,只有0.5~2m2/g。

②活性炭的表面化學性質(zhì)

由于活性炭表面有—OH基等,所以具有一些極性。

⑶影響活性炭吸附的主要因素

①活性炭吸附劑的性質(zhì)

其表面積越大,吸附能力就越強; 活性炭是非極性分子,易于吸附非極性或極性很低的吸附質(zhì);活性炭吸附劑顆粒的大小,細孔的

構(gòu)造和分布情況以及表面化學性質(zhì)等對吸附也有很大的影響。

②吸附質(zhì)的性質(zhì)

取決于其溶解度、表面自由能、極性、吸附質(zhì)分子的大小和不飽和度、附質(zhì)的濃度等。

③廢水PH值

活性炭一般在酸性溶液中比在堿性溶液中有較高的吸附率。

PH值會對吸附質(zhì)在水中存在的狀態(tài)及溶解度等產(chǎn)生影響,從而影響吸附效果。

④共存物質(zhì)

共存多種吸附質(zhì)時,活性炭對某種吸附質(zhì)的吸附能力比只含該種吸附質(zhì)時的吸附能力差。

⑤溫度

溫度對活性炭的吸附影響較小

⑥接觸時間

應保證活性炭與吸附質(zhì)有一定的接觸時間,使吸附接近平衡,充分利用吸附能力。

6、吸附操作方式

⑴靜態(tài)吸附

適用于處理水量小或吸附劑性質(zhì)特殊的情況下。

⑵動態(tài)吸附

廢水在流動時進行的吸附為動態(tài)吸附,其工藝可分為固定床、移動床、流化床三種。

固定床:在水處理工藝中常用。由于處理水量、原水水質(zhì)和處理出水水質(zhì)指標的不同,工程中可采用單床、多床串聯(lián)和多床并聯(lián)等三種操作方式。移動床和流化床在廢水處理中應用較少。

7、吸附床的設計

⑴吸附試驗

①確定吸附容量試驗

主要是確定吸附容量公式中各參數(shù)關系并求出相應的吸附等溫線。

②確定吸附速率試驗

測定不同時間水樣中溶質(zhì)濃度,直到濃度不再變化為止,根據(jù)數(shù)據(jù)求出吸附速率。

③裝置試驗

選用直徑為100~150mm、高為1.5~2.5m的吸附柱裝置,吸附劑層厚度約1.0~1.5m??蛇M行多床串聯(lián)試驗,并繪制穿透曲線,利用

此曲線確定使吸附容量得以充分利用的吸附操作方式。

⑵主要設計參數(shù)

包括吸附塔直徑(1~3.5m)、充填層厚度(3~10m)、充填層與塔徑之比(1:1~4:1)、活性炭粒徑(0.5~2.0mm)、接觸時間(10~50min)、容積線速度、過濾線速度(升流式:9~25m/h,降流式:7~12m/h)、反沖洗線速度、反沖洗時間(3~8min)、反沖洗周期(8~72h)、反沖洗膨脹率等。

8、活性炭吸附法在水處理中的應用

廣泛應用于在城市污水處理、飲用水及工業(yè)廢水處理。

⑴城市污水處理

廢水中的一些有機物是難于為微生物或一般氧化法所氧化分解的,如酚、苯、石油及其產(chǎn)品、殺蟲劑、洗滌劑、合成染料、胺類化合物以及許多人工合成有機物,經(jīng)生化處理后很難達到對排放要求較高的水體中排放的標準,也嚴重影響廢水的回用,因此需要深度處理。

由于活性炭對有機物的吸附能力大,在廢水深度處理中得到廣泛的應用,具有以下優(yōu)點:

①處理程度高,城市污水用活性炭進行深度處理后,BOD可降低99%,TOC可降到1~3mg/L。

②應用范圍廣,對廢水中絕大多數(shù)有機物都有效,包括微生物難于降解的有機物。

③適應性強,對水量及有機物負荷的變動有較強的適應性能,可得到穩(wěn)定的處理效果。

④粒狀炭可進行再生重復使用,被吸附的有機物在再生過程中被燒掉,不產(chǎn)生污泥。

⑤可回收有用物質(zhì),例如用活性炭處理含酚廢水,用堿再生吸附飽和的活性炭,可以回收酚鈉鹽。

⑥設備緊湊、管理方便。

⑵飲用水深度處理中的應用

活性炭吸附是建立在常規(guī)給水處理基礎上,一般設置在砂過濾之后,也可與砂濾料組成雙層濾料過濾或以活性炭過濾代替砂過濾。在利用活性炭吸附進行飲用水深度處理的過程中,發(fā)現(xiàn)在活性炭濾料上生長有大量的微生物,使出水水質(zhì)提高且再生延長,于是發(fā)展了一種經(jīng)濟有效的去除水中的微污染物質(zhì)的生物活性炭工藝,流程為原水—(加入混凝劑)—澄清—過濾(加入臭氧)再利用活性炭吸附,最后是出水。

⑶工業(yè)廢水處理中的應用

很多工業(yè)廢水很難或不能采用生化處理,采用其他方法時,有的不能達到排放標準,或運行費用較高,或操作較麻煩等,例如有毒的有機化合物和某些金屬及其化合物等。工程實踐表明,活性炭對這些物質(zhì)有很強的吸附能力。例如:

某染料廠排放廢水量為320m3/d,主要污染物二硝基氯苯為1000~1200mg/L,酸(以硫酸計)0.5%,工藝流程為:先進入調(diào)節(jié)池(50~60攝氏度),冷卻沉降后進入廢水池(30~40攝氏度),再用固定床式吸附塔進行吸附,經(jīng)石灰石膨脹中和濾池后排放,其中冷卻沉降的結(jié)晶二硝基氯苯可以回收。吸附塔的工藝參數(shù):濾速14~15m/h;接觸時間0.25h,采用二塔串聯(lián),一塔備用,塔徑900mm,塔高5m,每塔裝活性炭2.0m3,重1.09t,裝炭高度3.2m,經(jīng)處理后,吸附塔進水二硝基氯苯為700mg/L,出水為5mg/L,PH值大于6,達到排放標準。

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